Experimentelle und Simulationsstudie an einem Kolben aus Aluminiumlegierung basierend auf einer Wärmedämmschicht

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 10991 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wärmedämmschichten (TBCs) haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Temperatur der Metallmatrix effektiv gesenkt und die Wärmeleistung, Klopffestigkeit und Verbrennungsleistung des Kolbens verbessert werden. Als Forschungsobjekt wurde in dieser Studie ein geländegängiger Hochdruck-Common-Rail-Dieselmotor gewählt. In Kombination mit den Testergebnissen des Kolbentemperaturfelds unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments wurde ein Finite-Elemente-Simulationsmodell des Kolbens mit Wärmedämmbeschichtung erstellt. Mit diesem Modell konnten die Verteilungseigenschaften und Variationsgesetze des Temperaturfeldes, der Spannung und der Verformung der Wärmedämmschicht auf der Kolbenmatrix analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Temperatur des TBC-Kolbens unter Nennleistungs- bzw. Maximaldrehmomentbedingungen 12,2 % bzw. 13,73 % niedriger ist als die des Aluminiumlegierungskolbens. Die thermischen Spannungen des TBC-Kolbens an der Oberseite des Hohlraums waren 25,9 % bzw. 26,8 % niedriger als die des Aluminiumkolbens, während die thermomechanische Kopplungsspannung des TBC-Kolbens etwas höher war als die des Aluminiumkolbens – 1,2 MPa bzw. 3,7 MPa im Boden der Brennkammer mit geometrischer Mutation. Die radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens war 0,067 mm bzw. 0,073 mm geringer als die des Aluminiumkolbens, wobei die radiale thermomechanische Kopplungsverformung ebenfalls um 0,069 mm bzw. 0,075 mm abnahm. Die radiale thermische Verformung des Kolbens in Richtung parallel zur Lochachse war größer als die in Richtung senkrecht zur Lochachse; Der Unterschied in der Größe der Änderung führt zu einer ungleichmäßigen thermischen Verformung des Kolbens.

Dieselmotoren werden kontinuierlich weiterentwickelt, um ihre Haltbarkeit, ihr geringes Gewicht, ihre Kompaktheit und ihre geringen Emissionen zu verbessern. Infolgedessen sind die Menge der freigesetzten Wärme sowie die Temperatur und der Druck im Zylinder erheblich gestiegen, was die Umgebung im Zylinder verschlechtert1,2,3,4. Der Kolben, die Kernkomponente im Zylinder eines Dieselmotors, ist einem zunehmenden Thermoschock ausgesetzt, der seine Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erheblich beeinträchtigt. Wärmedämmschichten (TBCs) bieten eine hervorragende Wärmeisolierung und wirken sich positiv auf Erosionsschutz, Thermoschockbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus5,6. In der technischen Praxis können diese Eigenschaften die Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitssubstrat und der Hochtemperaturumgebung erheblich beeinflussen und dadurch die strukturelle Festigkeit und Ermüdungslebensdauer des Arbeitssubstrats beeinträchtigen7,8. Der TBC an der Oberseite des Kolbens kann die Temperatur an der Oberseite des Kolbens wirksam senken und die Verbrennungs- und Wärmeleistung sowie die Klopffestigkeit des Motors deutlich verbessern9.

Mit der rasanten Entwicklung der TBC-Vorbereitungstechnologie wurden Forschungen zu Kolben mit TBCs durchgeführt und in mehreren Studien der Einfluss von TBCs auf die Leistung von Verbrennungsmotoren untersucht. Bereits in den 1980er Jahren führten Morel et al.10,11 eine numerische Modellbewertung des Kolbens und des Kopfes eines Hochleistungsdieselmotors durch. Der Kolben wurde mit einer 1,5 mm dicken Zirkonoxid-Plasmaspritzbeschichtung (ZPS) beschichtet. Es wurde festgestellt, dass der thermische Wirkungsgrad des Motors um etwa 5 % steigt. Taymaz12 zeigte, dass TBCs den thermischen Wirkungsgrad von Dieselmotoren verbessern und so den Kraftstoffverbrauch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Lasten senken. Toyota schlug ein neues Wärmeisolationskonzept in einer Brennkammer vor, das als Thermo-Swing Wall Insulation Technology (TSWIN) bekannt ist. Ein neuartiges Isoliermaterial – silikaverstärktes poröses eloxiertes Aluminium (SiRPA) mit geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer volumetrischer Wärmekapazität – wurde entwickelt und auf die Oberseite des Kolbens aufgetragen, was zu einem geringeren Wärmeverlust ohne Einbußen bei der Motorleistung führt und dadurch die Leistung verbessert thermischer Wirkungsgrad13,14,15,16.

Darüber hinaus wurden in mehreren Studien die Auswirkungen von Kolben mit TBC auf die Schadstoffemissionen von Motoren untersucht. Ciniviz et al.17 untersuchten die TBC-Effekte auf der Oberseite eines Kolbens und der Brennkammeroberfläche sowie auf die Emissionsleistung von Dieselmotoren mit Turbolader. Die Ergebnisse zeigten, dass die NOx-Emissionen im Vergleich zu Standard-Dieselmotoren um 10 % anstiegen, während die Rußemissionen um 18 % sanken. Cerit et al.18 fanden in einer Teststudie mit Einzylinder-Benzinmotoren heraus, dass der TBC an einem Kolben die HC-Emissionen eines Kaltstarts eines Benzinmotors um 43,2 % reduzieren kann, ohne dass die Motorleistung beeinträchtigt wird. Durat19 untersuchte mithilfe der Finite-Elemente-Methode die Wirkung von TBCs, die durch Zugabe verschiedener Stabilisatoren zu teilweise stabilisiertem Zirkonoxid gebildet werden, auf die HC-Emissionen von Benzinmotoren unter Kaltstart- und stationären Bedingungen. Die Ergebnisse zeigten, dass Y2O3 wirksamer war als MgO. Reddy et al.20 zeigten, dass die CO- und HC-Emissionen beschichteter Kolbenmotoren im Vergleich zu Standardkolbenmotoren um 16,1 % bzw. 22,5 % reduziert wurden, während die NOx-Emissionen um 17,7 % anstiegen.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Rauheit und Porosität des TBC einen erheblichen Einfluss auf den Verbrennungsprozess und die Motoreffizienz des Motors hatte21,22,23,24,25. Serrano et al.21 entdeckten eine Reduzierung der Motoreffizienz um 3 % bei Verwendung von Kolben-TBCs. Studien von Uchida und Osada22 haben gezeigt, dass Oberflächenrauheit und poröse Struktur die Hauptursachen für die Ausdünnung der thermischen Grenzschicht in Zirkonoxidbeschichtungen sind, was zu erhöhten Wärmeübertragungskoeffizienten führt. Caputo et al.25 zeigten experimentell, dass die Rauheit der Beschichtung sowohl die Geschwindigkeit des Verbrennungsprozesses als auch den Wirkungsgrad des Motors verringerte (bis zu 2 % bei niedrigerer Last und Drehzahl).

Darüber hinaus wurde in mehreren Studien der TBC-Kolben selbst untersucht. Chen et al.26 verwendeten ein Plasmaspritzverfahren, um eine 0,33 mm dicke Schicht aus Zirkonoxidkeramik auf die Oberseite eines Aluminiumkolbens aufzutragen. Die Studie ergab, dass die durchschnittliche Temperatur an der ersten Ringnut des Kolbens um 12 °C abnahm. Szymczyk27 zeigte, dass in bestimmten Bereichen die berechnete Temperatur der beschichteten Kolbenoberfläche etwa 40 % niedriger war als die des unbeschichteten Kolbens. Buyukkaya et al.28 zeigten, dass die Temperaturen an der Oberseite eines Kolbens aus Aluminiumlegierung und eines Stahlkolbens bei Anwendung eines TBC um 48 % bzw. 35 % sanken. Hejwowski et al.29 zeigten, dass flammgespritzte Beschichtungen leichter beschädigt werden als plasmagespritzte Beschichtungen, was hauptsächlich auf die Bildung von Oxiden an der Verbindungsoberfläche der Beschichtung und die Zersetzung von Al2O3-40 % TiO2 zurückzuführen ist. Feng30 untersuchte anhand eines simulierten zylindrischen Kolbens die Auswirkung einer funktional abgestuften Beschichtung auf die thermische Belastung an der Oberseite des Kolbens. Eine funktionell abgestufte Beschichtung kann die Temperatur des Brennraums erhöhen und die Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Dichtungseigenschaften des Kolbens verbessern.

Die Forschung an TBC-Kolben hat sich hauptsächlich auf den Einfluss des TBC auf das Temperaturfeld der Kolbenmatrix, den Motorwirkungsgrad, den Verbrennungsprozess und die Emissionsleistung konzentriert. Allerdings haben sich nur wenige Studien auf die thermische Analyse und thermomechanische Kopplung des TBC-Kolbensystems konzentriert, während numerische Simulationsanalysen des TBC-Kolbens oft nicht experimentell verifiziert wurden. Daher wird unter Verwendung eines Aluminiumlegierungskolbens eines Offroad-Dieselmotors als Forschungsobjekt ein Finite-Elemente-Simulationsanalysemodell des TBC-Kolbens erstellt, indem der Temperaturtest und der maximale Verbrennungsdruck im Zylinder kombiniert werden. Der Zweck dieser Studie besteht darin, die Wirkung des TBC auf das Temperaturfeld, die Spannung und die Verformung der Kolbenmatrix zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie können auch Datenunterstützung und Referenz für die Optimierung der kinematischen und dynamischen Leistung und die Verbesserung des Zylinderspiels von Kolben liefern.

Das Forschungsobjekt ist ein Offroad-Hochdruck-Common-Rail-Dieselmotor, bei dem der Kolben aus einer Aluminiumlegierung durch einen internen Kühlkanal gekühlt wird und die Kolbenkammerform vom gezahnten ω-Typ ist. Die relevanten Parameter für den Dieselmotor sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der Kolben befindet sich im Motor und ist von der Zylinderlaufbuchse und dem Gehäuse umgeben. Der Kolbenkopf wird von Gas mit hoher Temperatur beaufschlagt und befindet sich in einer Hochgeschwindigkeits-Hin- und Herbewegung. Daher war die genaue Messung der stationären Temperatur an der Oberseite des Kolbenbodens bei der Untersuchung stationärer thermischer Belastungen eine Herausforderung. In dieser Studie wurden ein TT-K-30-Thermoelement und ein Leitungsübertragungssystem verwendet, um das Temperaturfeld des Dieselmotorkolbens unter Nennleistung und maximalem Drehmoment zu messen. Der Testtemperaturbereich des Thermoelements betrug 0–1250 °C mit einer Toleranz von 1,1 °C oder 0,4 %. Das Thermoelement nutzte die verunreinigungsfreie Lötverbindungstechnologie von OMEGA, um kugelförmige Lötstellen zu verschweißen und so die Genauigkeit der Messungen sicherzustellen. Darüber hinaus kann der nackte Typ die Reaktionsgeschwindigkeit verbessern, und die Reaktionszeit betrug weniger als 5 ms. Vor dem Kolbentemperatur-Feldtest wurde das verwendete Thermoelement von 0 bis 400 °C vorkalibriert. Die technischen Parameter des Thermoelementsensors sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Ein einzelner Kolben wurde mit vier Messpunkten angeordnet, die sich in der Mitte der Kolbenbrennkammer, am Boden der Kolbenkammer und an der Oberseite des Kolbens befanden. Entsprechend der Position des Messpunkts wurde ein Loch vom inneren Hohlraum des Kolbens bis zu einer Position 2 mm unter der oberen Oberfläche des Kolbens gebohrt. Der Messpunkt des Thermoelements wurde im Boden des Lochs platziert und zur Sicherung wurde der anorganische Kupferoxidkleber eingegossen, wie in Abb. 1 dargestellt. Während des Bohrvorgangs sollten der Bohrwinkel und die Bohrtiefe genau überwacht werden, um Abweichungen zu vermeiden Die Bohrposition und der interne Kühlkanal sollten durchdrungen werden. Nach der Installation der Thermoelementsensoren wurden die Thermoelemente nummeriert, um die Aufzeichnung der Messergebnisse zu erleichtern und die Integrität des Sensors mithilfe eines Voltmeters sicherzustellen.

Skizzenkarte der Kolbenmesspunkte (a) Schnittansicht und (b) physische Ansicht.

In Anbetracht des Prozesses des Kurztests wurde im Lead-Prozess kein Hilfsmechanismus eingeführt. Auf beiden Seiten der Pleuelstange wurden nur Schlitze angebracht, wie in Abb. 2 dargestellt. Der Thermoelementdraht wurde in die Nut der Pleuelstange gelegt und zur Befestigung mit anorganischem Kupferoxidkleber gefüllt.

Physikalisches Leitungsdiagramm des Thermoelementdrahts.

Während des Tests wurde der Kolben aus Aluminiumlegierung im ersten Zylinder und der TBC-Kolben im dritten Zylinder installiert, um das Temperaturfeld unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments zu bewerten. Die Test- und Testbedingungen sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Im Allgemeinen weist die TBC-Struktur eine Keramikschicht mit hohem Schmelzpunkt, chemischer Stabilität, Phasenstabilität, geringer Wärmeleitfähigkeit, geringer Wärmekapazität, guten thermomechanischen Eigenschaften, guter Kompatibilität mit der Metallbindungsschicht, niedriger Sinterrate, Zähigkeit und Härte auf. und gute Erosionsverschleißfestigkeit. Diese Schicht fungiert als Wärmeisolierung, die die Temperatur der Kolbenmatrix senkt. Die Metallbindungsschicht aus metallischen Superlegierungen auf Kobaltbasis (CoNiCrAlY) oder Nickelbasis (NiCoCrAlY) ist dünner als die Keramikschicht25. Als Übergangsschicht zwischen Kolbenbasis und Keramikschicht wird die Metallbindungsschicht verwendet, um die Verbindungsfestigkeit zwischen Keramikschicht und Kolbenbasis zu verbessern und Spannungen zu reduzieren, die durch die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung verursacht werden. Derzeit ist Zirkonoxid (ZrO2) das am häufigsten verwendete Keramikschichtmaterial in der Automobilforschung25. In dieser Studie wurde MgZrO3 mit einem MgO-Stabilisator als Keramikschichtmaterial mit hohem Schmelzpunkt, geringer Wärmeleitfähigkeit und guter Stabilität bei erhöhten Temperaturen verwendet. Als Verbindungsschichtmaterial des TBC auf der Oberseite des Kolbens wurde NiCrAl verwendet, das die Bindungskraft und Oxidationsbeständigkeit der Keramikschicht zum Substrat verbessern kann. Um den Wärmeausdehnungsunterschied zwischen der Keramikschicht und dem Kolbensubstrat zu verringern, ist die Metallbindungsschicht des TBC auf der Oberseite des Kolbens im Allgemeinen 0,15 mm dick12,19,25. Frühere Studien29 haben gezeigt, dass die Haftung des TBC abnimmt, wenn die Gesamtdicke des TBC mehr als 0,5 mm beträgt, was sich auf den volumetrischen Wirkungsgrad von Dieselmotoren auswirkt. Je größer die Beschichtungsdicke, desto höher die Temperatur, wodurch das Schmieröl verkohlt, was zu Kohlenstoffablagerungen und anderen Problemen führt. Beträgt die Gesamtdicke der Wärmedämmschicht weniger als 0,5 mm, ist die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades gering und die Dämmwirkung begrenzt. Daher wurden mittels Plasma-Lichtbogenspritztechnik Keramikschichten mit einer Dicke von 0,35 mm und Metallverbindungsschichten mit einer Dicke von 0,15 mm auf die Oberseite des Kolbens gespritzt.

Dieses Kapitel umfasst.

In dieser Studie wurde die HYPERMESH-Software verwendet, um das Finite-Elemente-Netz des Modells zu teilen, und die ABAQUS-Software wurde verwendet, um ein Finite-Elemente-Simulationsmodell des Kolbens zu erstellen. Das Modell bestand aus Kolbenkörper, Ring, Bolzen, Pleuelhälfte, Verbindungsschicht und Keramikschicht, wie in Abb. 3 dargestellt.

Kolben-Finite-Elemente-Modell und Verstärkungsbereich.

Das Material des Kolbenkörpers war eine Silizium-Aluminium-Legierung (mit einem geringen Anteil Magnesium), und das Material des Kolbenrings war austenitisches, verschleißfestes Gusseisen. Die thermophysikalischen Parameter der Silizium-Aluminium-Legierungsmaterialien bei verschiedenen Temperaturen sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die spezifischen thermophysikalischen Parameter von Kolbenring, Bolzen, Pleuel, Verbindungsschicht und Keramikschicht sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Genaue thermische Randbedingungen sind die Grundlage für die Untersuchung des Temperaturfeldes und der thermischen Belastung des Kolbens, die Schlüsselfaktoren, die die Genauigkeit der Modellberechnungen bestimmen. In dieser Studie wurden Randbedingungen der dritten Art verwendet. Die anhand der empirischen Formel berechneten Ergebnisse wurden mit den Testergebnissen verglichen und wiederholt korrigiert, um genaue thermische Randbedingungen zu erhalten. Basierend auf den Testdaten des Dieselmotors wurde ein eindimensionales thermodynamisches Simulationsmodell erstellt, um die Temperatur und den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Gases im Zylinder unter den Bedingungen von Nennleistung und maximalem Drehmoment zu ermitteln. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie der Änderung des Luftstroms im Zylinder und der Struktur des Zylinders wurde die dimensionslose Beziehungskurve des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten mit dem radialen Abstand am Ort der Kolbenverbrennungsoberfläche berechnet, wie in Abb. 4 dargestellt Die Ordinate ist das Verhältnis des Wärmeübertragungskoeffizienten der oberen Oberfläche des Kolbens entlang der radialen Richtung an verschiedenen Positionen zum maximalen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten im Zylinder. Die Abszisse ist das Verhältnis der oberen Oberfläche des Kolbens entlang der radialen Richtung an verschiedenen Positionen zum Kolbenradius.

Dimensionslose Kurve des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten mit radialem Abstand.

Somit erhält man den Wärmeübergangskoeffizienten an jeder Position in der radialen Richtung der Kolbenverbrennungsfläche, wie in Gl. (1).

wobei agm den durchschnittlichen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten des Gases im Zylinder bezeichnet. N ist der Abstand von der Mittelachse des Kolbens zur Position des maximalen Wärmeübertragungskoeffizienten (dh der Verengung). Die Position des Halses ist 27,5 mm von der Mittelachse des Kolbens entfernt (daher N = 27,5 mm), wie in Abb. 5 dargestellt. Der maximale Verbrennungsdruck des Dieselmotors betrug 16 MPa, was darauf hinweist, dass der Gasdruck an ist Die Kolbenoberkante betrug 16 MPa. Da der Gasdruck im oberen Steg des Kolbens, in der ersten Ringnut, im zweiten Steg und in der zweiten Ringnut nicht gemessen werden kann, werden die Drücke empirisch durch unterschiedliche Prozentsätze des Gasdrucks auf der oberen Fläche verteilt, wie in Abb. 6 dargestellt. Der Bereich zwischen dem dritten Steg und der Schürze ist einem geringeren Gasdruck ausgesetzt und daher vernachlässigbar, und dieser Teil ist keiner mechanischen Belastung ausgesetzt.

Abmessungen der oberen Oberfläche des Kolbens.

Gasdruck des Kolbens.

Die vier Simulationswerte des Aluminiumlegierungskolbens und des TBC-Kolbensimulationsmodells wurden extrahiert und mit den Testwerten verglichen, wie in Abb. 7 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen die prozentuale Abweichung zwischen der durch die Simulation berechneten Temperatur und der Temperatur des experimentellen Tests liegt unter 3,0 %, was darauf hinweist, dass die Simulationsergebnisse eine hohe Genauigkeit aufweisen und für nachfolgende Analysen und Untersuchungen verwendet werden können.

Vergleich der experimentellen Test- und Simulationstemperaturen des Kolbens von (a) Schema A, (b) Schema B, (c) Schema C und (d) Schema D.

Die Temperaturfeldverteilungen der verschiedenen Schemata wurden durch Simulationen ermittelt, wie in Abb. 8 dargestellt. Die maximale Temperatur der Kolbenmatrix jedes Schemas trat am Hals des Kolbens auf. Die maximale Temperatur des TBC-Kolbens betrug bei Nennleistung und maximalem Drehmoment 310,7 °C bzw. 317,4 °C und war damit 43,3 °C bzw. 50,5 °C niedriger als die ähnlichen Höchsttemperaturen des Aluminiumlegierungskolbens von 354,0 °C bzw. 367,9 °C C, was einem Rückgang von 12,2 % bzw. 13,73 % entspricht. Diese Ergebnisse zeigen, dass der TBC die Wärmeübertragung von der Brennkammer zum Kolbenkopf wirksam blockieren kann, wodurch die Temperatur des Kolbenkopfs erheblich gesenkt wird. Da der Bereich unterhalb des zweiten Stegs des Kolbens weit vom TBC entfernt ist, wird er weniger vom TBC beeinflusst und der Wärmeübertragungskoeffizient dieses Bereichs ändert sich nicht (dh der Temperaturunterschied ist relativ gering).

Temperaturfeldverteilung des Kolbens.

Die Temperatur der oberen Oberfläche des Kolbens ist in jedem Schema regelmäßig entlang der radialen Richtung des Kolbens verteilt. Um das radiale Verteilungsgesetz der Kolbentemperatur besser darzustellen, werden die Pfade P1 bis P5 an der oberen Oberfläche der Kolbenmatrix senkrecht zur Richtung der Lochblende genommen, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Temperatur des konvexen Bereichs im Die Mitte der Kolbenkammer lag relativ hoch. Mit zunehmendem radialen Abstand und dem Einfluss der geometrischen Struktur nahm die Temperatur der Brennkammer allmählich ab. Die Mindesttemperatur wurde an der Bodenfläche der Brennkammer erreicht und die Kolbentemperatur stieg dann entlang der radialen Strecke an. Anschließend stieg die Kolbentemperatur entlang der radialen Distanz an und erreichte die maximale Temperatur an der Position P3 der Verengung. Eine weitere Vergrößerung des radialen Abstands führte zu einem allmählichen Rückgang der Kolbentemperatur. An der Position P4 jedoch, wo sich die geometrische Struktur des Kolbens plötzlich ändert, steigt die Kolbentemperatur dramatisch an und sinkt dann bis zum Kolbenrand weiter ab.

Radiale Temperaturverteilung auf der Oberseite des Kolbens.

Wenn sich die Temperatur der Kolbenmatrix ändert, ändert sich ihr Volumen, was äußeren oder gegenseitigen Zwängen zwischen ihren verschiedenen Teilen unterliegen kann, was zu thermischer Spannung und thermischer Verformung führt. Die thermisch-mechanische Kopplungsspannung und Verformung sind das Ergebnis der mechanischen Lastaufnahme aufgrund des Temperaturfeldes. Die Auswirkungen von Barrierebeschichtungen auf die Spannungs- und Verformungsverteilungen werden im Folgenden diskutiert.

Die Spannungsverteilung der verschiedenen Schemata wurde aus Simulationsrechnungen ermittelt, wie in Abb. 10 dargestellt. Die thermische Spannung an der Schlüsselposition des Kolbens wurde mit der thermomechanischen Kopplungsspannung verglichen, wie in Tabelle 6 aufgeführt. Die thermische Isolationsfunktion Die Wärmedämmschicht verringert den Temperaturgradienten des Kolbens, so dass die thermische Spannung an der Unterseite der Brennkammer, am Hals, an der ersten Ringnut, am Boden des Kühlkanals und an der Oberseite des inneren Hohlraums des TBC-Kolbens deutlich sinkt niedriger als der des Aluminiumlegierungskolbens. Unter den Arbeitsbedingungen mit Nennleistung und maximalem Drehmoment weist der TBC-Kolben im Vergleich zum Kolben aus Aluminiumlegierung den größten Abfall von 25,9 % bzw. 26,8 % an der Oberseite des inneren Hohlraums auf. Die thermomechanische Kopplungsspannung des TBC-Kolbens und des Kolbens aus Aluminiumlegierung spiegelt sich im Vergleich zur thermischen Spannung hauptsächlich im Hals und in der ersten Ringnut wider. Die thermomechanische Kopplungsspannung am Hals von Schema A, B, C und D stieg im Vergleich zur thermischen Spannung um 11,7 %, 10,3 %, 7,5 % bzw. 7,6 %; In ähnlicher Weise vergrößerte sich die erste Ringnut um 3,2 %, 3,0 %, 2,4 % bzw. 2,4 %. Die zurückhaltende Wirkung der Wärmedämmschicht auf der Oberseite führt dazu, dass der TBC-Kolben etwas höhere thermomechanische Kopplungsspannungen erzeugt. An der Bodenfläche der Brennkammer wurden Spannungserhöhungen von 1,2 MPa bzw. 3,7 MPa im Vergleich zum Kolben aus Aluminiumlegierung unter den Bedingungen der Nennleistung bzw. des maximalen Drehmoments beobachtet.

Verteilungsergebnisse von (a) thermischer Spannung des Kolbens und (b) thermomechanischer Kopplungsspannung des Kolbens.

Die Verformung des Kolbens wirkt sich direkt auf das Passungsspiel zwischen Kolben und Zylinderlaufbuchse während der Hin- und Herbewegung des Kolbens aus. Das Spiel ist ein wichtiger Parameter, der die kinematische und dynamische Leistung des Kolbens beeinflusst. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wird das Polardiagramm der radialen thermischen Verformung und der radialen thermomechanischen Kopplungsverformung an der Oberseite des Kolbens dargestellt, wobei TS und ATS die Haupt- bzw. Nebenschubseite des Kolbens darstellen, wie in Abb. 11. Wie in Abb. 11 zu sehen ist, führt ein Kolbenbolzenversatz von 0,5 mm dazu, dass die radiale Verformung des Kolbens in jedem Schema entlang der Bolzenachse größer ist als die Verformung senkrecht zur Bolzenachse. Die radiale Verformung des Kolbens war bei maximalem Drehmoment größer als bei Nennleistung. Die Wärmedämmschicht ist eng mit der Oberseite der Kolbenmatrix verbunden, wodurch die radiale Verformung der Oberseite begrenzt wird. Die radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens verringerte sich unter den Arbeitsbedingungen mit Nennleistung und maximalem Drehmoment maximal um 0,067 mm bzw. 0,073 mm. Ebenso wies die radiale thermomechanische Kopplungsverformung im Vergleich zum Kolben aus Aluminiumlegierung eine maximale Reduzierung von 0,069 mm bzw. 0,075 mm auf. Die minimale radiale thermische Verformung des Kolbens aus Aluminiumlegierung betrug 0,298 mm bzw. 0,309 mm und trat in der Richtung von 92,9° auf. Die minimale radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens betrug 0,266 mm bzw. 0,271 mm und trat in der Richtung von 76,6° auf. Die maximale radiale thermische Verformung des Aluminiumlegierungskolbens betrug 0,338 mm bzw. 0,350 mm und trat in der Richtung von 304,3° auf, während die maximale radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens 0,278 mm bzw. 0,283 mm betrug und in auftrat die Richtung von 190,5°. Die minimale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des Aluminiumlegierungskolbens betrug 0,300 mm bzw. 0,311 mm und trat in der Richtung von 82,5° auf. Die minimale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des TBC-Kolbens betrug 0,258 mm bzw. 0,263 mm und erscheint in der Richtung von 60,4°. Die maximale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des Kolbens aus Aluminiumlegierung betrug 0,340 mm bzw. 0,351 mm und trat in der Richtung von 197,4° auf. Die maximale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des TBC-Kolbens betrug 0,297 mm bzw. 0,302 mm und trat in der Richtung von 178,8° auf.

Ergebnisse von (a) thermischer Verformung an der Oberseite des Kolbens und (b) thermomechanischer Kopplungsverformung an der Oberseite des Kolbens.

Die charakteristischen Linien des Kolbenmantels in den Richtungen 0°, 30°, 60° und 180° wurden extrahiert, um die radiale thermische Verformung des Kolbens in axialer Richtung zu untersuchen. Der Boden des Kolbens befand sich auf einer Höhe von 0 mm, wie in Abb. 12 dargestellt. Wie in der Abbildung zu sehen ist, ist die radiale thermische Verformung an der Oberseite des Kolbenmantels am größten und die Verformung an der Unterseite am kleinsten. Die thermischen Verformungen des TBC-Kolbens und des Kolbens aus Aluminiumlegierung waren bei maximalem Drehmoment etwas größer als bei Nennleistung. In der 0°-Richtung betrug die maximale radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments 0,183 mm bzw. 0,184 mm und war damit 13,3 % bzw. 14,0 % niedriger als die Verformungen von 0,211 mm bzw. 0,214 mm. Ähnliches wurde für den Kolben aus Aluminiumlegierung beobachtet. In Richtung von 30° betrug die maximale radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments 0,187 mm bzw. 0,188 mm, 11,0 % bzw. 11,3 % niedriger als die Verformungen von 0,210 mm bzw. 0,212 mm. des Kolbens aus Aluminiumlegierung. In der 60°-Richtung betrug die maximale radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments 0,189 mm bzw. 0,190 mm, 8,3 % bzw. 8,7 % niedriger als die Verformungen von 0,206 mm bzw. 0,208 mm Der Kolben aus Aluminiumlegierung. Im Fensterbereich schwankte die radiale thermische Verformung des Kolbens aufgrund der Änderung der Kolbenstruktur leicht. In der 180°-Richtung betrug die maximale radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens unter Nennleistung und maximalem Drehmoment 0,184 mm und 0,185 mm, 8,5 % und 9,3 % weniger als die Verformungen des Aluminiumlegierungskolbens von 0,201 mm und 0,204 mm.

Radiale thermische Verformung in axialer Richtung von (a) 0° des Kolbenschafts, (b) 30° des Kolbenschafts, (c) 60° des Kolbenschafts und (d) 180° des Kolbenschafts.

Die charakteristischen Linien in den Richtungen 0°, 30°, 60° und 180° des Kolbenschafts wurden extrahiert, um die radiale thermomechanische Kopplungsverformung des Kolbens in axialer Richtung zu untersuchen. Der Boden des Kolbens befand sich auf einer Höhe von 0 mm, wie in Abb. 13 dargestellt. Wie in der Abbildung zu sehen ist, stimmt das thermomechanische Kopplungsverformungsgesetz des Kolbenmantels in jedem Schema mit der thermischen Verformung überein. In der 0°-Richtung betrug die maximale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments 0,180 mm bzw. 0,180 mm, 14,7 % bzw. 15,9 % niedriger als die Verformungen von 0,211 mm bzw. 0,214 mm. des Kolbens aus Aluminiumlegierung. In Richtung von 30° betrug die maximale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen n Nennleistung und maximales Drehmoment 0,187 mm und 0,188 mm, 12,6 % und 13,4 % weniger als die Verformungen von 0,214 mm und 0,217 mm. bzw. des Kolbens aus Aluminiumlegierung. In der 60°-Richtung betrug die maximale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments 0,192 mm und 0,193 mm, 9,9 % bzw. 10,6 % niedriger als die Verformungen von 0,213 mm bzw. 0,216 mm , des Kolbens aus Aluminiumlegierung. In der 180°-Richtung betrug die maximale radiale thermomechanische Kopplungsverformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments 0,192 mm bzw. 0,192 mm, 6,3 % bzw. 7,2 % weniger als die Verformungen von 0,205 mm bzw. 0,207 mm. des Kolbens aus Aluminiumlegierung.

Radiale Kupplungsverformung in axialer Richtung von (a) 0° des Kolbenmantels, (b) 30° des Kolbenmantels, (c) 60° des Kolbenmantels und (d) 180° des Kolbenmantels.

In dieser Studie wurde die Thermoelement-Messmethode verwendet, um das stationäre Temperaturfeld des Kolbens aus Aluminiumlegierung und des TBC-Kolbens unter Nennleistung und maximalem Drehmoment zu messen. Das Temperaturfeld liefert genaue Randbedingungen für die Finite-Elemente-Analyse des Kolbens. Unter dieser Randbedingung wurden das Temperaturfeld, die thermische Spannung, die thermomechanische Kopplungsspannung, die thermische Verformung und die thermomechanische Kopplungsverformung von Kolben aus Aluminiumlegierung und TBC-Kolben systematisch untersucht. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wurden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen.

Die Verwendung von TBC führt dazu, dass die maximale Temperatur des TBC-Kolbens um 12,2 % bzw. 13,73 % im Vergleich zu der des Aluminiumlegierungskolbens unter Nennleistungs- bzw. Maximaldrehmomentbedingungen sinkt, was darauf hindeutet, dass TBC die Wärmeübertragung von der Brennkammer auf wirksam verhindert den Kolbenkopf und reduziert die Temperatur des Kolbenkopfs deutlich.

Die Wärmeisolationsfunktion der Keramikschicht reduziert den Temperaturgradienten des Kolbens, wodurch die thermische Belastung des TBC-Kolbens deutlich geringer ist als die des Aluminiumlegierungskolbens. Unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments zeigte der TBC-Kolben im Vergleich zum Kolben aus Aluminiumlegierung eine maximale Verringerung von 25,9 % bzw. 26,8 % an der Oberseite des inneren Hohlraums. Aufgrund der zurückhaltenden Wirkung der Wärmedämmschicht auf seiner Oberseite erzeugt der TBC-Kolben bei Nennleistung etwas höhere thermomechanische Kopplungsspannungen – 1,2 MPa und 3,7 MPa – an der Unterseite der Brennkammer als der Aluminiumlegierungskolben bzw. maximale Drehmomentbedingungen.

Die Keramikschicht war eng mit der oberen Oberfläche der Kolbenmatrix verbunden, wodurch die Verformung der oberen Schicht begrenzt wurde. Die radiale thermische Verformung des TBC-Kolbens unter den Bedingungen der Nennleistung und des maximalen Drehmoments wurde im Vergleich zu der des Kolbens aus Aluminiumlegierung um 0,067 mm bzw. 0,073 mm reduziert; die radiale thermomechanische Kopplungsverformung wurde um 0,069 mm bzw. 0,075 mm reduziert. Die radiale thermische Verformung des Kolbens in Richtung parallel zur Lochachse ist größer als die in senkrechter Richtung, wobei der Größenunterschied zu einer ungleichmäßigen thermischen Verformung des Kolbens führt.

Cai, J., Lu, RS & Qin, Y. Experimentelle Untersuchung der instationären thermischen Belastung im Zylinderkopf von Dieselmotoren. Trans. SCICE 5(1), 66–75. https://doi.org/10.16236/j.cnki.nrjxb.1987.01.007 (1987).

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Diese Arbeit wurde von der Chinese National Natural Science Foundation [Grant No. 51805233, 51665021, 51965027] und dem Basic Research Program der Provinz Yunnan [Grant No. 2019FD032] unterstützt.

Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engines, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650500, Volksrepublik China

Yang Liu, Jilin Lei, Xiaoqiang Niu und Xiwen Deng

Yunnan Key Laboratory of Plateau Emission of Internal Combustion Engines, Kunming Yunnei Power Co., Ltd, Kunming, 650200, Volksrepublik China

Yang Liu, Jilin Lei, Xiaoqiang Niu und Xiwen Deng

Chengdu Galaxy Power Co., Ltd, Chengdu, 610505, Volksrepublik China

Jun Wen & Zhigao Wen

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JL und JW konzipierten die Experimente, YL und XN führten die Experimente durch, XD und ZW halfen beim Aufbau des Prüfstands, YL und XN analysierten die Ergebnisse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jilin Lei.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 13. November 2021

Angenommen: 16. Juni 2022

Veröffentlicht: 29. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15031-x

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